共同关注暗物质

丁肇中不会急于解决暗物质的秘密。

安德鲁·格兰特

在接近真空的外太空里，每一种罕见的少量物质都讲述了一个故事。例如，一个快速运动的质子可能是被一颗爆炸的恒星发出的激波推动的；一个弥散电子在一个黑洞的边缘摇摇欲坠，将要被扔进一个强大的灼热气体的喷流中。

自2011年以来，国际空间站进行了一项实验，旨在解读这些故事。阿尔法磁谱仪已经将超过六百亿个质子、电子和其他被称为宇宙射线的亚原子粒子编入目录。

其他实验对宇宙射线撞击地球大气层中的原子和分子产生的粒子流进行了取样。而光谱仪则仔细检查了栖息于地球上方约400千米处的原始的宇宙射线——其中一些已经旅行了数百万光年。阿尔法磁谱仪是迄今为止飞行在太空中的最灵敏的宇宙射线探测器，而且它也是最昂贵的，约20亿美元。

这个探测器进行的前所未有的粒子普查可以解开暗物质的身份。暗物质是某种神秘的、看不见的物质，而且在宇宙中的含量是普通物质的5倍。一些被仪器捕捉到的宇宙射线可能是通过星系中央的暗物质粒子互相碰撞、湮灭产生的。

光谱仪也可以帮助科学家确定为什么行星、恒星以及宇宙中的其他结构是由物质而不是反物质组成的。反物质的粒子与它相对应的物质粒子拥有相反的电荷，但是在其他方面几乎都是完全一致的。大多数反物质粒子在138亿年前的大爆炸发生后就消失了，其中的原因还不是很清楚。物理学家希望找到原始的反物质来检验他们关于反物质加速灭亡的原因的理论。

该项任务已经开始了将近四年，阿尔法磁谱仪一直在传递精确的数据，而且提供了一些关于暗物质本质的线索。但是这项任务是否会实现它的雄心勃勃的目标，目前尚不清楚。宇宙射线是因磁场作用而四处游走的带电粒子，所以它们不会以直线传播，无法追溯到它的源头。为了确定特定的宇宙射线的起源是否为暗物质，科学家必须排除其他每一种可能的解释。评论家认为识别暗物质的机会非常渺茫，而且找到原始反物质也几乎是不可能的。

这样的批评几乎没有影响到该项任务的负责人、粒子物理学家丁肇中。尽管频频出现反对声，但是这位79岁高龄的诺贝尔奖得主设计制定了简洁的实验，并且使得实验得以成功进行。随后，他耐心收集并且分析数据。他的发现往往令人印象深刻，而且在公布之前，他总是反复测试，细致到极致。尽管结果可能会比大多数科学家更乐于见到的要晚一些才能得到，但是丁肇中很自信，他认为在太空中进行强大的粒子物理实验将会拓宽科学家对于宇宙的理解。

全神贯注

这些日子，丁肇中教授的基地位于欧洲核子研究中心，即日内瓦外的欧洲物理实验室。这里是任务指挥中心，并且为建造阿尔法磁谱仪提供了一部分资助。除了2014年12月的一个下午，丁肇中当时在麻省理工学院，那边有他进行的另一个实验的实验室。他的办公室设在一栋标有大写字母“J”的大楼中，这是纪念为他赢得诺贝尔奖的发现，J粒子。丁肇中访问美国的原因是与一个承包商见面，讨论他位于剑桥的家的整修问题，这仅仅只是一次很短暂的交谈。但是对于丁肇中来说，物理之外的事情都是次要的。

“如果你没有把它当作你生命中最重要的事情，那么你就不能真正进入这个领域。”丁肇中如是说。

悬挂在他办公室墙壁上的两个高清监控器令他更加痴迷。其中一个显示的是来自空间站的实时图像，主要是捕捉到的光谱仪以及我们缓慢自转的地球的颗粒状黑白图像。另一个显示器则显示的是处于运行中的仪器的计算机重建过程。近乎实时，宇宙射线穿过它的磁体，触发了用于确定粒子身份、能量以及轨迹的传感器。

丁肇中没有天体物理学背景，但是他有足够多的经验，可以从大量粒子中找到真正很酷的东西。

他从他的电脑中调出了1965年纽约时报的一篇文章。那篇文章描述了丁肇中的第一个重大发现。当时，他，利昂·莱德曼（1988年诺贝尔物理学奖得主）以及他们的同事第一次制造并且探测到反物质原子核。（很快欧洲核子研究中心的一个团队有了一个类似的发现。）观测单个反物质粒子非常困难，因为当它们与普通物质相遇时会发生湮灭，释放出能量。为了避开这个问题，丁肇中和莱德曼设法在位于纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室的一个粒子加速器中，观察束缚的反物质粒子对，即反氘核。

当丁肇中描述反氘核和其他反物质时，他孩子气的好奇心让他无意中发现，大爆炸之后第一个时刻的遗迹可能正在宇宙中漂流，等着被我们发现。但是在好奇心之下同样也是极端的自信，甚至是傲慢，他认为只有他一个人知道探测这个重大问题的方法。

20世纪70年代，丁肇中开始对夸克产生兴趣。夸克是构成质子和中子这样的粒子的基本单元。物理学家已经提出，而且发现了三种夸克存在的迹象。但是丁肇中，急于想解开有关物质组成的每个细节，他与一些怀疑仍存在其他种类的夸克的物理学家组成了一个研究团队。他提出在高能环境下使粒子发生碰撞，这将会产生某种短暂存在的物质以及对应的反物质，最终这种物质会湮灭形成电子，对应的反物质会湮灭形成正电子。通过分析电子和正电子，他可以确定中间粒子的组成。

丁肇中说许多物理学家嘲笑他的提议，他们相信三种夸克就可以解释物理上所有更加复杂的粒子了。在布鲁克海文实验室同意他试一试之前，多个实验室都拒绝了他的申请。

1974年的夏天，丁肇中和他的团队看到了一种新型亚原子粒子存在的令人信服的迹象。这种粒子有着不同寻常的组成。但是丁肇中拒绝开放数据，直到他确信一切都是正确的。他把他的团队分成了两个小组，独立地反复分析数据。直到那一年的11月份，当一个同事在一次会议上告诉丁肇中，粒子物理学家伯顿·里克特在斯坦福线性加速器中心也看到了同样的信号，丁肇中才分享了他的发现。第四种夸克的确认为丁肇中赢得了1976年的诺贝尔物理学奖。丁肇中设计实验的技巧，结合着他的谨小慎微、智慧以及固执，使他获得了物理学的终极荣誉。那年他40岁。

从那之后，丁肇中一直追求大的项目。20世纪80年代末，他组织了一个团队为预计造价数十亿美元的超导超级对撞机设计一个探测器。这个对撞机是一个长约87千米的粒子加速器，计划建设在得克萨斯州沃克西哈奇附近。丁肇中想要建造一个7.5亿美元的设备，而美国能源部则表示探测器的花销不能超过5亿美元，所以丁肇中退出了该项目。“他非常坚持以他自己的方式来做这件事情。”加里·桑德斯说。他是一名高能物理学家，曾经是丁肇中的研究生，也是当初那个团队的一员。

1993年，国会决定取消超级对撞机项目，这对美国的物理学家来说是一个毁灭性的打击。然而，丁肇中已经向前迈进。1994年，他开始了也许是他职业生涯中最为雄心勃勃的项目。

像他第一个重要的实验一样，这项实验会寻找反氘核和其他反物质原子核。而且类似于曾使他获得诺贝尔奖的研究，该项目会使用电子和正电子作为探针来识别未被发现的母粒子。但是这次他不是通过整理在精心安排的粒子碰撞中生成的碎片来获得新发现，他想要追逐在宇宙中自然生成的粒子。阿尔法磁谱仪实验将在太空中收集和分析粒子。

美国航天局和能源部都承诺他们会支持该项目。

从实验室到发射

科学家研究宇宙射线已经有一个世纪之久，他们希望能了解到是什么机制产生了宇宙射线。但是丁肇中的提议为恰好位于地球大气上方的宇宙射线建立一次健康普查提供了难得的机会。之前大多数实验都是在气球上进行的。但是气球只能短暂飞行，而且也不能离开大气层，迫使科学家只能分析因宇宙射线撞击大气中的原子而引发的粒子流。

过去那些实验依然传递了一些引人注目的结果。1997年，高能反物质望远镜，即HEAT，一个被拴在高空气球上的宇宙射线探测器，揭示了太空中的正电子具有出奇高的浓度。当时，物理学家不知道宇宙中很多可以产生正电子的过程，所以理论家很快提出了一些想法。最有趣的一种想法是正电子是由星系中的暗物质粒子生成的，尽管暗物质粒子是无形的，但是它们偶尔也会发生碰撞，并且彼此湮灭产生伽马辐射以及可探测的粒子，包括电子和正电子。如果这些暗物质理论是正确的，那么通过对宇宙射线中的正电子进行精确的测量，物理学家可以确定暗物质粒子的本质和质量。

但是暗物质并不是唯一的解释。其他理论家也提出了一些正电子形成机制，但是与宇宙解密的相关性远低于暗物质。关于其他正电子形成机制，位于列表顶端的是脉冲星——大质量恒星爆炸后留下的致密、快速自旋的核心。脉冲星的急速旋转生成了一个强烈的电磁场，强大到足以从它的表面“撕下”电子。这些电子与光子相互作用，产生电子和正电子对。计算表明，只需一颗或者两颗脉冲星，处于距离太阳系几百光年之内的区域，就足以使得地球周围满是正电子了。

尽管HEAT揭开了这个吸引人的难题，但是一些科学家对于阿尔法磁谱仪将会为正电子起源的争论添加更多的可能性，或者对解决任何大的物理谜题持怀疑态度。然而，丁肇中下定决心要看到他的项目顺利进行。他集合了16个国家的科学家共同合作，分工进行，并且共同承担不断增长的成本。当2003年美国哥伦比亚航天飞机爆炸后，美国航天局撤销了到国际空间站的短期旅行项目，丁肇中游说国会成员，说明分析了可能隐藏在宇宙射线中的奇观，并且强调了就严谨的科学而言，国际空间站的声誉不是那么主要。

“如果你告诉丁肇中，要想得到他想要的，首先必须赢得印地500车赛，那么他将会成为世界上最好的赛车手。”麻省理工学院核科学实验室的负责人理查德·米尔纳说。丁肇中不会减少向华盛顿政府官员施加的压力，即使他的很多合作者专注于其他项目，并没有像他一样全身心投入到这个项目中。

当时一个来自得克萨斯州的美国参议员，凯·贝利·哈奇森表示，丁肇中非常有说服力。她说丁肇中使她和其他人相信这项任务值得去做，并且就被公众诟病的航天飞机项目的安全性问题作了说明。“他真是一个有远见的人。”她说。丁肇中的坚持，激励了她开启拨款小组委员会为该项目寻找资助。2008年10月，美国总统布什签署了一项增加航天飞机的法案，所以阿尔法磁谱仪可以搭乘它们其中的一个。“如果不是丁肇中坚持不愿放弃，我们不会得到它。”哈奇森说。

2008年，PAMELA，一个附着于俄罗斯侦察卫星之上的宇宙射线探测器，发现了与HEAT所暗示的同样的正电子过剩现象。美国航天局的费米伽马射线太空望远镜，同样也携带着一个宇宙射线探测器，于2011年也提出了类似的结论。然而，却没有一个探测器分辨出正电子的来源。

丁肇中的仪器在安装之后几乎立即开始了宇宙射线巡天，收集尽可能多的数据。它一天之内收集到的数据相当于PAMELA探测器50天收集的。他仔细筛选了带正电的粒子，其中大多数都是质子，然后挑出更有价值的正电子。一如既往地，丁肇中并不急于释放首次得到的结果。“我怀疑在未来20年都没人能够重复这个实验，”他说，“没有人可以检验我们的结果，所以确保结果的正确性是至关重要的。”

2013年4月，丁肇中打破沉默，在欧洲核子研究中心召开了新闻发布会。在再次雇佣两个独立的小组重新梳理数据之后，他确证了由HEAT，PAMELA和Fermi探测到的正电子过剩现象。通过分析680万个正电子和电子的特性，丁肇中的研究团队发现随着粒子能量增加，正电子的数量持续上涨。丁肇中表示，正电子的明显过剩，强化了这一观点：肯定是某种相对较近的东西生成了它们。他推进了关于暗物质的那种解释，但是也承认这种理论不是唯一的可能性。

9月份，丁肇中回来参加另一个新闻发布会。这一次，在仔细研究1090万个正电子和电子后，他们查明正电子浓度不再增加时，相对应的能量值约为2750亿电子伏特。这是一个有趣的数字，高能物理学家彼得·麦金泰尔说，因为它表明假想的暗物质粒子的质量限制了它们所产生的正电子的能量。

事实上，一些物理学家认为，尽管阿尔法磁谱仪拥有无与伦比的粒子探测技术，但是它却不能明确区分暗物质湮灭，脉冲星或者其他未被发现的、可能产生过剩的反物质“碎片”的过程。

“一颗脉冲星就可以解释阿尔法磁谱仪完成的任何观测。”密歇根大学的粒子天体物理学家格雷戈里·塔尔莱说。不管是什么正电子数据，物理学家都无法完全隔离出所谓的暗物质信号，他表示。

斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的理论天体物理学家凯瑟琳·弗里兹也认为最终通过正电子证明暗物质会非常困难。“我赌脉冲星。”她说。

其他实验也表明阿尔法磁谱仪可以在暗物质方面做出一个引人注目的项目，但是机会很渺茫。2015年1月发布于arXiv.org网站上的一项研究中，物理学家仔细研究了费米望远镜的测量结果，寻找同样是在暗物质粒子彼此湮灭时产生的伽马辐射。这个数据排除了理论家提出的大部分暗物质碰撞机制。而且2014年12月，普朗克卫星的科学家宣布，他们关于宇宙中最古老的光的研究，并没有发现暗物质碰撞产生的碎屑的迹象，如果说经过时间推移，现在它们可能已经自我消失掉了，但是在宇宙初期也应该可以被看到。

丁肇中说就像他很少关注他的批评者一样，他也很少关心其他的实验。他会关注科学文献，但是不会太相信那些只基于一组数据的没有限制条件的结论。“我在很早之前就学会了：只关心自己的实验。”他说。

他期望可以通过研究更高能量的正电子学习到更多。如果说一个暗物质粒子的质量，对应的能量是一万亿电子伏特，那么它可能不会产生超过四分之一该能量的正电子。所以如果在正电子浓度随着能量变化的图像中，正电子的浓度在到达一个新的峰值后大幅下降，那么这就暗示正电子是由暗物质粒子产生的。因为脉冲星应该产生能量连续分布的正电子，如果是脉冲星的话，正电子浓度不会下降得这么突然。

在2016年或者接下来的两年内，阿尔法磁谱仪团队将会释放他们的第一批反质子的分析结果。丁肇中认为反质子太重，不会是脉冲星制造的，而应该是在暗物质碰撞过程中生成的。丁肇中称初步的结果是“迷人的”。但是当然，他不会提供更多，直到所有的反复测试完成。

他相信，未来的测量将会允许他明确确定正电子的起源，是来自暗物质，还是其他什么。

即使暗物质图像仍然是混乱的，阿尔法磁谱仪也将有机会探测到原初反物质。物理上最大的难题之一是为什么在一个初始物质和反物质等量的宇宙中物质会胜出。丁肇中希望找到复杂的反物质——或许反氦（由两个反质子和两个反中子组成）或者反氘核。其他科学家认为探测到这些反核子的可能性极低，因为反物质必须穿过充满物质的星系和太阳系而不被摧毁。

丁肇中并没有退缩。收集有关宇宙的深刻见解需要时间。他预计只要空间站还在运行，资金就可以维持运转，丁肇中只是想看到大自然抛给他的是什么。“如果你不去看的话，”他说，“你就不会知道。” A6aAeUw0+MT7IVOK5UcIZmoHFEUntK8LQmVRadIoSwtDhzNYheyIHLr2PK3xX4H/